גם אם היער שקוף, הוא עדיין סבוך וצפוף

מאת עפר שורק
May 11, 2021

איך מוצאים את הדרך ביער של אפשרויות לייצור פלסטי שקוף?

במהלך 2020 זינק הביקוש ללוחות שקופים כאמצעי הגנה בפני רסס ויראלי, בחנויות ומשרדים ברחבי העולם. ברבעון האחרון של השנה זינקו מחירי החומרים הפלסטיים השקופים לשיאים היסטוריים ושורה של תקלות ייצור, השבתות לא-מתוכננות יחד עם היעדר זמינות קיצונית של מכולות ריקות למשלוח מאסיה לאירופה וארה”ב הביאה יצרנים רבים לבדוק מחדש את כדאיות הייצור מחומרים שהמחיר שלהם נסק תוך מספר חודשים בעשרות אחוזים. היכולת להעביר את העלאות המחיר האלה ללקוחות מוגבלת ולעיתים הדרך היחדה לשמור על רווחיות המוצר היא לשקול החלפה של חומר גלם מסורתי, למרות הקושי הרגולטורי ו\או הטכנולוגי הכרוך במהלך. במקרים כאלה נחמד להסתכל אחורה – פחות ממאה שנים – ולראות את מניפת האפשרויות שנפרשה בפניהם של מהנדסים בכל הקשור לפתרונות שקופים.

את הניטרוצלולוזה גילה כריסטיאן שנביין (Christian Friedrich Schönbein) בשנת 1846 כאשר הטביל כותנה בחומצה חנקתית וחומצה גופרתית. ניטרוצלולוזה (או: “כותנת הנפץ”) היא חומר נפץ שמתקבל מניטרציה של צלולוזה (תאית כותנה). התגלית החלה מרוץ חימוש שהובילו צבאות העולם במאה ה-19. מרוץ החימוש המדעי כלל רשימת פטנטים תזזיתית שהתבססה על הִנְדּוּס לְאָחוֹר של הטכנולוגיה כדי להמנע מתשלום תמלוגים. שורה ארוכה של תאונות עבודה ברחבי אירופה ורוסיה הובילה לאיסור חמור על המשך נסיונות במדינות רבות, אבל, עוד לפני שאלפרד נובל הבין איך לרסן את החומר הפראי, הצליח כימאי צרפתי בשם לואי מאנה לייצר חומר צמיגי כאשר המיס ניטרו צלולוזה בתמיסת אתר ואלכוהול. משילוב זה התקבל נוזל דביק, שכאשר הוא התאדה, נותרת ממנו שכבה דקה, קשה ושקופה. השם שניתן לחומר נגזר מהמילה היוונית לדבק – ‘קולודיון’. תמיסת הקולודיון היתה בשימוש כאמצעי רפואי לחבישת פצעים עוד לפני שהפכה לשמו של תהליך הצילום. פילמור של ניטרט התאית עם קמפור הוביל ליצירתו של החומר התרמופלסטי צלולואיד – חומר קרני, גמיש ומבריק – שהפך לפלסטיק הראשון שיוצר באורח מסחרי, כבר בסוף המאה ה-19.

במשך אלפי שנים הייתה הזכוכית הפתרון המתועש השקוף היחיד שעמד לרשותה של האנושות. בתחילת שנות השלושים התפתח סוג חדש של מירוץ חימוש בין הכימאים בעולם לנצל את הידע שהתגבש סביב נגזרות אקריליות כדי לפתח תחליף לפילם הצלולואיד ששימש ללמינציה של זכוכית. הפיתוח המואץ שחל בענפי הרכב, הרכבות והתעופה, שימש תמריץ משמעותי למציאה של דרכים להורדת משקל ועלויות מפתרונות זיגוג קיימים. לקו הגמר הגיע כימאי גרמני בשם אוטו רוהם (Otto Röhm) שאמנם נכשר במשימת הלמינציה, אבל הצליח לייצר לוח אקרילי שקוף של פולי-מתיל-מתאקרילט או PMMA. החומר, ששווק ב-1933 כ”זכוכית אורגנית” תחת המותג ‘Plexiglas’ היה להצלחה מיידית.

כמעט תשעים שנה עברו מאז, ולמהנדסי חומרים של המאה ה-21 יש מגוון עצום של אפשרויות פולימריות כשהם באים לתכנן פתרון פלסטי שקוף (ראה טבלה השוואתית). לפעמים, מרוב עצים כבר לא רואים את היער, אלא שאת מגוון האפשרויות צריך צוות הפיתוח להעביר דרך מסננת תובענית של שיקולים טכניים, רגולטרויים ומסחריים שלרוב משאירים אותו, במקרה הטוב, עם לא יותר משתי אפשרויות. דוגמא טובה לתהליך כזה הוא ענף הציוד הרפואי, שמחייב את צוות הפיתוח לעמוד בדרישות של אישורי מגע עם מזון, אישורי FDA, אישורי פרמקופיאה אירופאית, פרמקופיאה יפנית, בדיקות ביו-קומפטאביליות (ISO 10993, USP Class IV), רישום Drug Master File, עמידות בתקיפה של תרופות (בעיקר בכימותראפיה למשל), נכונות של היצרן לספק את החומר, התחייבות שלו להודיע 36 חודשים מראש לפני כל שינוי בחומר ועוד שלל דרישות מבניות ומכאניות בהתאם ליישום – וכל התענוג הזה עוד לפני שדיברנו על עלות החומר.

דוגמא לתהליך בחירה כזה בתחום הציוד או האריזה הרפואית יכולה להתחיל במובן מאליו – דרישה לשקיפות מעולה, תכונות מכאניות טובות שמתבטאות במאמץ-מעוות (Tensile strength) וקשיחות (stiffness) בעמידות בפני הולם (השוואה בין PC, ל-PMMA, SAN ו-MABS למשל) ועמידות בפני תקיפה כימית (ESCR) – לכל התכונות הנפלאות האלה יש להוסיף כאמור את זמינות החומר, את התחושה שלו (במיוחד אם המוצר יהיה בשימוש של המטופל) וגם נוחות עיבוד  – MABS, למשל, נוח לעיבוד יותר מפוליקרבונט או PMMA. המתיל מתאקרילט ABS או MABS מתאפיין בפולימריזציה הומוגנית יותר, עיבוד בהיתך נוח יותר, שקיפות ועמידות גבוהה יותר ל-UV לאורך זמן מאשר ABS בסיסי. יש ל-MABS טמפ’ עיוות נמוכה יותר בחום והוא אינו יכול להתחרות ב-ABS הנדסי עם עמידות גבוהה להולם או לטמפ’ גבוהות. עם זאת, כשבאים לבחור חומר שקוף, העמידות של ה-MABS בפני הולם עולה על זו של פולסטירן, SAN ו-PMMA ויש לו טמפ’ עיוות בחום דומה. פוליקרבונט עולה על MABS גם מבחינת עמידות בהולם וגם בכל הקשור לעמידות בטמפ’ גבוהות. מנגד, ה-MABS נוח יותר לעיבוד, גמיש יותר ומתאפיין בצפיפות נמוכה יותר. הוא עמיד יותר בפני היסדקות תחת לחץ ועמיד באלכוהול, שמנים ופלסטיסייזרים ונוח יותר להלחמה לצנרת PVC.

 

לסיכום, חשוב לזכור שפלסטיקה, כמו פוליטיקה, היא אומנות הפשרה. מהנדסי חומרים שקשובים לצרכים של החטיבות השונות בחברה,  נוהגים לתחזק במשך שנים טבלת אקסל אישית עם רשימה של חומרים לפי התכונות השונות שלהם בהתאם לצרכים הייעודיים של סוג המוצרים, המגבלות והיתרונות שמאפיינים (ובתקווה גם מבדלים) את מוצרי החברה שלהם. אומנות הפשרה היא מציאת איזון בין זמינות, אמינות, כדאיות כלכלית וכל שלל התכונות שמאפשרות להם להתמקד בפתרון המיטבי לכל יישום ויישום, תוך שהם מסמנים כוכבית קטנה ליד חלופה אחת או שתיים לעיתות משבר.